農用車輛阻尼可調油氣懸架的剛度特性分析與試驗

呂寶占，王 爽，胡愛

(1.河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作 454000；2.南京農業大學工學院，江蘇南京 210031)

由于受惡劣的行駛路面狀況和簡陋的車輛懸架系統配置等因素的影響，非公路車輛(如農用車輛、工程車輛、礦用自卸車等)的振動相比公路車輛(如轎車、載重汽車等)來說要劇烈得多。隨著非公路車輛作業速度和人們對駕乘舒適性要求的提高，非公路車輛的減振問題受到越來越多的關注。相關研究表明，油氣懸架具有單位蓄能能力大、易于實現剛性閉鎖等優點，并能使車身振動的固有頻率保持基本不變，保證車輛具有良好的行駛平順性，安裝合適的油氣懸架系統是改善非公路車輛振動特性的有效方法之一[1]，通過改變油氣懸架系統的剛度和阻尼，可以使車輛的作業性能與平順性、操縱穩定性在各種不同工況下達到最佳組合。

近年來，國內外學者對非公路車輛油氣懸架的研究取得了一定的成果。Solomon等將1個主動阻尼器與1個氣體彈簧并聯使用，提出了1種用于履帶式車輛的半主動油氣懸架系統，通過試驗證明，該系統在不影響被動懸架車輛行駛性能和承載能力的基礎上提高了乘坐舒適性[2]；Cao等構建了載重汽車1/4車體非線性模型，驗證了全車互聯式油氣懸架在提高車輛平順性和操縱穩定性方面的性能潛力[3]；甄龍信等通過礦用自卸車單氣室油氣懸架的仿真與試驗，在不同的充氣壓力下，對單氣室油氣懸架進行臺架試驗研究，分別測得油氣懸架的輸出力和缸筒相對于活塞桿的位移[4-5]；陳思忠等設計了1種越野車輛外置串聯閥式阻尼可調雙氣室油氣懸架，建立了油氣懸架非線性數學模型，并研究了閥系參數對油氣懸架阻尼特性的影響[6]；趙敬凱等在考慮懸架快速加載和油液通道的附加阻力、進口局部阻力、彎道阻力的基礎上，仿真得到油氣懸架非線性力學特性，建立了包含柔性化車架的整車剛柔耦合模型，研究和優化了礦用自卸車油氣懸架的懸架力學特性[7]。

針對國產某半車架拖拉機的振動特性，考慮整體結構特點，筆者設計了1種可用于前軸的阻尼可調式油氣懸架[8]，通過分析其工作原理，對阻尼可調式油氣懸架的剛度特性進行理論分析和試驗研究，得到各參數對該油氣懸架剛度特性的影響規律，并為開發適用的前軸油氣懸架系統提供有效依據。

1 油氣懸架的結構與工作原理

阻尼可調式油氣懸架結構原理如圖1所示，該結構為單氣室分離式油氣懸架，由油氣彈簧本體和間接測量裝置組成。液壓閥組是由單向閥和節流閥(球閥)串聯后與另一節流閥(球閥)并聯而成，開關閥1為常開式，當在特殊作業場合(如須要提高整機剛度)須關閉油氣懸架時使用。開關閥2在油氣懸架工作時處于關閉狀態。

活塞桿末端與車架連接，懸架缸底端與車橋(或車軸)連接。假設活塞位置固定，當車輪駛上凸起或滾出凹坑時，缸筒相對活塞桿向上運動，無桿腔內油液壓力升高，有桿腔內油液壓力降低，油氣懸架處于壓縮行程，無桿腔內一部分油液通過活塞上的阻尼孔流入有桿腔，填充有桿腔后剩余的油液通過節流閥1(錐閥)進入蓄能器的液壓油腔，另一部分油液通過單向閥組流入蓄能器的液壓油腔，由于此行程下活塞阻尼孔、單向閥組、可調節流閥同時打開，油氣懸架產生的阻尼力較小，充分發揮蓄能器內氣體的彈性作用，相當于傳統懸架的彈簧作用；當車輪駛下凸起或滾入凹坑時，無桿腔內油液壓力降低，油氣懸架處于還原行程，蓄能器液壓油腔內的油液經節流閥1(錐閥)流入懸架缸缸筒的有桿腔，同時，有桿腔內的油液通過活塞阻尼孔流入無桿腔，由于此行程下單向閥和節流閥2處于關閉狀態，僅活塞阻尼孔和節流閥1連通，油氣懸架產生的阻尼力比較大，能夠迅速衰減振動，這一過程相當于傳統懸架的阻尼器作用。

2 油氣懸架的數學模型

無桿腔的活塞有效工作面積為：

A1=πD2/4。

(1)

式中：D為缸筒內徑，mm。

有桿腔的活塞有效工作面積為：

A2=π(D2-d2)/4。

(2)

式中：d為活塞桿外徑，mm。

缸筒內徑與活塞桿外徑的面積比為：

ζ=(D2-d2)/D2。

(3)

油氣懸架的預緊力為：

F0=P0(A1-A2)。

(4)

式中：P0為蓄能器氮氣腔的初始充氣壓力，Pa。

氮氣按理想氣體狀態方程計算，可得油氣懸架輸出力：

(5)

式中：V0為蓄能器氮氣腔的初始充氣容積，m3；r為氣體的多變指數。

將式(5)對x求微分，可得到油氣懸架剛度的表達式：

(6)

忽略各液壓閥液阻及摩擦力，不考慮蓄能器膠囊伸縮耗能的影響，有下式成立：

(7)

ΔV3=ΔV4=(A1-A2)x。

(8)

當計算油氣懸架的靜剛度時，取r=1，計算油氣懸架的動剛度時r=1.73[9]。

取油氣懸架的參數為D=50 mm，d=26 mm，ζ=0.73，P0=4.7 MPa，V0=78 mL，代入式(6)，懸架缸活塞偏離平衡位置的位移與油氣懸架的靜剛度與動剛度如圖2所示。

3 油氣懸架的剛度試驗

3.1 試驗條件

試驗中采用的設備為深圳市新三思材料檢測有限公司CMT5105型電子萬能試驗機，試驗軟件為Power Test V 3.0，試驗參數為活塞桿工作行程80 mm、缸筒內徑50 mm、活塞桿外徑26 mm、氮氣室初始體積68、78、88 mL，氮氣室初始壓力 4.2、4.7、5.2 MPa，試驗軟件操作界面如圖3所示[10]。

3.2 試驗數據分析

由于缸筒與活塞之間存在摩擦等因素，油氣懸架在壓縮行程和還原行程的輸出力曲線并不重合，在氮氣室初始氣體體積為V0=78 mL，初始氣體壓力為P0=4.7 MPa時，繪制油氣懸架在壓縮行程和還原行程的靜特性曲線。由圖4可以看出，油氣懸架的輸出力表現出較明顯的非線性特征，而且油氣懸架的摩擦力與氣室內氣體的壓力變化沒有明顯關系，基本為定值。

作如下2個定義：

Fs=(Fc+Fr)/2；

(9)

fs=(Fc-Fr)/2。

(10)

式中：Fs為油氣懸架的輸出力，N；fs為油氣懸架的摩擦力，N；Fc為油氣懸架壓縮行程輸出力，N；Fr為油氣懸架還原行程輸出力，N。

3.3 氮氣室初始參數對油氣懸架剛度的影響

圖5為在蓄能器氮氣室內氣體初始工作體積一定時，不同初始工作壓力下的靜態輸出力的理論值與試驗值的比較曲線。由圖5可以看出，試驗值和理論值是基本吻合的，油氣懸架的試驗靜剛度略大于其理論值，分析其原因主要在于試驗過程中油液在各腔的緩慢流動而產生的阻尼對懸架的靜剛度造成了一定的影響。

圖6為在蓄能器氮氣室內氣體初始工作壓力一定時，不同氣體初始工作體積下的靜態輸出力特性的理論值與試驗值的比較曲線。由圖6可以看出，試驗值和理論值是基本吻合的，由于試驗過程中油液在各腔的緩慢流動而產生的阻尼對懸架的靜剛度造成了一定的影響，使油氣懸架的試驗靜剛度試驗值略大于其理論值。

3.4 氮氣室初始參數對油氣懸架摩擦力的影響

由圖7可以看出，油氣懸架的摩擦力隨氣體初始壓力的增加整體呈增加的趨勢，但在數值大小上變化不大，在壓力變化范圍不大的情況下，油氣懸架的摩擦力基本可以認為是一個常數。

由圖8可以看出，油氣懸架的摩擦力隨氣體初始體積的增加整體呈減小的趨勢，但數值變化不大，在氣體初始體積變化范圍不大的情況下，油氣懸架的摩擦力基本可以認為是一個常數。

4 結論

在建立的阻尼可調油氣懸架數學模型的基礎上，理論分析農用車輛油氣懸架的靜剛度和動剛度特性，并通過試驗研究不同參數對油氣懸架剛度和摩擦力的影響規律，將試驗數據與理論計算結果進行對比，得出以下主要結論：(1)油氣懸架的剛度具有明顯的非線性特征，試驗數據與理論計算結果基本一致，說明數學模型是正確的；(2)油氣懸架的剛度隨氮氣室內氣體初始壓力的增加而增加，初始壓力對油氣懸架剛度的非線性特性影響不明顯；(3)油氣懸架的剛度隨氮氣室內氣體初始體積的增加而減小，而且初始體積對油氣懸架剛度的非線性特性影響明顯；(4)活塞與懸架缸之間的摩擦力基本為定值。

[1]Mazhei A A，Uspenskiy A A，Ermalenok V G.Dynamic analysis of the hydro-pneumatic front axle suspension of agriculture tractor[R].SAE Technical Paper，2006.

[2]Solomon U，Padmanabhan C.Semi-active hydro-gas suspension system for a tracked vehicle[J].Journal of Terramechanics，2011，48(3)：225-239.

[3]Cao D，Rakheja S，Su C Y.Roll-and pitch-plane-coupled hydro-pneumatic suspension.Part 2：Dynamic response analyses[J].Vehicle System Dynamics，2010，48(4)：507-528.

[4]甄龍信.油氣懸架系統仿真、優化與設計計算研究[D].北京：北京科技大學，2005.

[5]甄龍信，張文明.單氣室油氣懸架的仿真與試驗研究[J].機械工程學報，2009，45(5)：290-294.

[6]陳思忠，楊 杰，吳志成，等.外置串聯閥式阻尼可調油氣彈簧研究[J].汽車工程，2007，29(8)：680，719-722.

[7]趙敬凱，谷正氣，張 沙，等.礦用自卸車油氣懸架力學特性研究與優化[J].機械工程學報，2015，51(10)：112-118，128.

[8]呂寶占，劉志懷，朱思洪.利用MATLAB/Simulink的油氣懸架輸出力分析[J].現代制造工程，2014(5)：31-36.

[9]吳仁智.混合與分離式油氣懸架動力學試驗研究[D].上海：同濟大學，2003.

[10]呂寶占.非公路車輛前軸油氣懸架系統動力學特性研究[D].南京：南京農業大學，2008.